同步发电机的空载磁场及气隙磁密计算

同步发电机的空载磁场及气隙磁密计算

胡彬

（石家庄铁道大学研究生机械工程学院，河北省石家庄市，050043）

摘要：有限元法是随着计算机技术的应用而发展起来的一种先进的CAE技术,广泛应用于各个领域中的科学计算、设计、分析中,成功的解决了许多复杂的设计和分析问题,已成为工程设计和分析中的重要工具。有限元作为一种数值计算方法,其核心在于对总刚度矩阵的各种处理。有限元法避免了大量粗略的假设和经验公式，计算精度和可靠性都比传统算法要高，而且运用十分灵活。用于对电机的稳态运行条件及工作特性进行分析计算，能够有效地提高我国同步电机的设计水平。

论述了同步电机的结构、工作原理及其发展趋势。在有限元法基本思路的基础上,介绍了有限元的优越性及其发展趋势,研究了有限元法在机电工程中的应用情况。采用有限元法对同步发电机磁场进行了分析, 利用FORTRAN及其在数值计算上的优势, 阐述了磁场的分布状况,得到空载磁场和气隙磁密。

关键词:有限元法;同步电机;FORTRAN;磁场分布

中图分类号：TM312文献标识码：A

Calculation of the No-load Magnetic Field and Air-gap Flux

Density for the Synchronous Generator

HuBin

（Graduate Institute of Mechanical Engineering,Shijiazhuang Tiedao University, Hebei Province Shijiazhuang city 050043,China）

Abstract：FEA (Finite Element Analysis) is a kind of advanced CAE technology which is widely applied in scientific calculation, design and analysis. As a numeric method, the total stiffen matrix is mainly dealed with in FEA. Many coarse assumptions and empirical formulas are avoided. Therefore, the calculating accuracy and reliability are higher than that of conventional method and the operation mode is fairly agility. It can be used in analysis and calculation of steady-state parameters and performance of electric machine, then the design level of synchronous machine in our country will be improved effectively.

Recent situation and development tendency of synchronous machine is discussed.The construction and the principle of operation are given . The rationale of FEA is introduced. The superiority and development of FEA

is expounded. The application of FEA is researched in modern electrical engineering. The magnetic field of synchronous machine is analyzed by finite element method. The superiority of FORTRAN in numeric calculation is used to expound the distribution pattern of magnetic field and get the magnetic field at no load and the density of air-gap field.

Key Words ：FEA ；Synchronous Generator；FORTRAN；Magnetic Field

0引言

电机是一种进行机电能量转换或信号转换的电磁机械装置。传统电机按运行原理可以分为直流电机、感应电机和同步电机本毕业设计的课题是采用有限元法计算分析恒压同步发电机的空载磁场及气隙磁密。在深入了解、掌握小型交流电机同步运行情况、以及电机径向结构及其尺寸的基础上，确定所选小型凸极同步电机合适的二维恒定磁场，即半个极对应的磁场为计算场域，找出相应的第一、二类边界条件；设计场域的剖分图，并用可视化FORTRAN语言编写剖分程序；采用有限元法计算各节点上的向量磁位值，再以向量磁位计算空载磁场的分布；计算气隙中心线上的磁密分布值；绘制磁力线分布图及气隙磁密分布曲线；对计算过程的结果做出分析并得出结论。

1有限元算法介绍

1.1有限元的基本思路

有限元法是根据变分原理求解数学物理问题的一种数值计算方法。有限元法的基本思路是将所要分析的单的函数来连续场域分割为许多较小的区域（单element)，这些单元的集合就代表原来的场；然后建立比较简表示每个单元的解(它并不要求每个单元的试探解都满足边界条件)，组合起来得到集合体的代数方程并引进边界条件，就能求解获得连续场的解答。

1.2有限元的主要步骤

有限元法将函数定义在简单几何形状（如二维问题中的三角形或任意四边形）的单元域上（分片函数），充分发挥划分单元在几何上具有的灵活性，且不考虑整个定义域的复杂边界条件，使有限元计算具有简单、通用、标准化的优点，特别是对物理性态复杂的问题，更显优越。

有限元分析可分成三个阶段，前处理、运行计算和后处理。前处理是建立有限元模型，定义各部分材料性能；运行计算阶段包括：网络剖分、设定边界、加边界条件、施加激励